pełny tekst - Awarie budowlane

XXIV
awarie budowlane
XXIV Konferencja Naukowo-Techniczna
Szczecin-Międzyzdroje, 26-29 maja 2009
Prof. nzw. dr hab. inŜ. ZBIGNIEW KLEDYŃSKI, [email protected]
Mgr inŜ. RAFAŁ OSTROMĘCKI, [email protected]
Politechnika Warszawska
UWARUNKOWANIA PROJEKTOWE I TECHNOLOGICZNE
STANU ZARYSOWANIA śELBETOWEGO ZBIORNIKA
WYDZIELONEJ KOMORY FERMENTACYJNEJ
DESIGN AND TECHNOLOGICAL CONDITIONS
OF REINFORCED CONCRETE SEPARATED FERMENTATION TANK CRACKING
Streszczenie W referacie przedstawiono stan zarysowania powłoki walcowej Ŝelbetowego zbiornika zamkniętej,
wydzielonej komory fermentacyjnej (WKFz) w oczyszczalni ścieków, jaki zaistniał na etapie realizacji obiektu.
Opisano zakres i najwaŜniejsze wyniki analiz wykonanych w celu rozpoznania przyczyn zarysowania zbiornika.
Wskazano na projektowe i technologiczne (wykonawcze) uwarunkowania stanu obiektu.
Abstract The paper presents state of cracking of a reinforced concrete wall of the cylindrical separated
fermentation tank in a wastewater treatment plant, which took place at the stage of its construction. Scope of
analyses performed and most important conclusions, leading to recognition of the cracking origin were presented.
Design and technological conditions which had an influence on structure state were indicated.
1. Wprowadzenie
Jednym z procesów stosowanych w oczyszczaniu ścieków zawierających znaczne ilości
materiału organicznego jest fermentacja metanowa, złoŜony proces biologiczno-chemicznego
przetwarzania przez mikroorganizmy białek, tłuszczów i węglowodanów do produktów końcowych, głównie metanu i dwutlenku węgla, tj. podstawowych składników tzw. biogazu.
Najlepsze efekty fermentacji uzyskuje się w tzw. wydzielonych komorach fermentacyjnych,
zwłaszcza zamkniętych (WKFz). Są one wyposaŜone w urządzenia do mieszania osadów oraz
przewody odprowadzające gaz, wodę nadosadową i przefermentowany osad. Stwarza
to moŜliwość precyzyjnego sterowania procesami fermentacji.
Z konstrukcyjnego punktu widzenia wydzielona, zamknięta komora fermentacyjna to
cylindryczny lub rzadziej prostopadłościenny zbiornik, najczęściej Ŝelbetowy lub stalowy,
zakończony u dołu lejem ułatwiającym grawitacyjne spuszczanie przefermentowanego osadu,
a na górze stoŜkowym stropem, pod którym gromadzi się biogaz.
Na rys. 1 pokazano przekrój pionowy i poziomy przez Ŝelbetową komorę fermentacyjną,
będącą przedmiotem niniejszego referatu. Stosunkowo nietypową cechą pokazanej konstrukcji są skokowe zmiany grubości ściany zbiornika wyznaczające wysokości trzech faz
betonowania płaszcza; w układzie poziomym cylindryczne fazy podzielono pionowo na cztery
sekcje oznaczane dalej kierunkami stron świata.
Konstrukcje Ŝelbetowe
230 30
30
30
40
50
616
60
410
2100
90
500
100
40
410
30
80
632
R1
11
0
60
0
05
R1
R1
14
0
90
130
50
180
180
193
0
09
R1
Rys. 1. Charakterystyczne przekroje zbiornika
2. Stan obiektu i jego historia
Stan zbiornika w dniu oględzin (jesień 2007 r.) przedstawiał się następująco. Na ścianach
zewnętrznych widoczne były nieliczne ślady przeciekania oraz wycieki iniektu w miejscach
wykonywania prac uszczelniających (rys. 2) oraz przecieki spod pierścienia górnego
(od strony północnej) i zacieki z nieszczelności w dwóch niŜszych, poziomych szwach betonowania. Ściany były gładkie, z pewną liczbą otwartych pęcherzy powietrznych; nie stwierdzono niekontrolowanych szwów roboczych i miejsc Ŝwirowych (tzw. raki). Stan zarysowania
płaszcza pokazano schematycznie na rys. 3. Pierwsze rysy (w fazie I) o rozwartości do
0,15 mm zauwaŜono po 3÷4 tygodniach od zabetonowania; rysy w fazach II i III ujawniły się
dopiero po napełnieniu zbiornika wodą. W trakcie napełniania zbiornika wystąpiły takŜe
przecieki przez poziome szwy betonowania i wówczas wykonano iniekcję tych szwów przez
umieszczone w nich wcześniej węŜyki iniekcyjne (w trzech poziomych szwach płaszcza, tj.
między ławą i fazą I oraz między fazami I i II oraz II i III, węŜyk iniekcyjny zdublowano
wkładką z taśmy bentonitowej). Iniekcja dała efekty umiarkowanie zadawalające, ale
przerwała drenowanie nieszczelności szwu przez węŜyk i zlikwidowała rozpływanie się wody
wzdłuŜ szwów.
Pierwszemu napełnieniu zbiornika (próba wodna) towarzyszyły pomiary geodezyjne osiadań obiektu. Ich wyniki wskazują na równomierne i stosunkowo niewielkie osiadania zbiornika. Świadczy to dobrze o jakości posadowienia i wyklucza ewentualne róŜnice osiadań jako
potencjalną przyczynę zarysowań.
Z uzyskanych danych wynikało, Ŝe względem Specyfikacji Technicznych Wykonania
i Odbioru Robót Budowlanych obiektu, za zgodą Inwestora i Projektanta, zmieniono stal
zbrojeniową z 18G2 (A-II) na BSt 500 (A-IIIN) – bez zmiany ilości i rozmieszczenia – oraz
cement z portlandzkiego CEM I 52,5 NA na hutniczy CEM III/A 32,5 N – LH/HSR/NA.
Zastąpiono takŜe część grysów bazaltowych Ŝwirem i uŜyto superplastyfikatora polimerowego.
W Specyfikacji nie limitowano skurczu betonu ani temperatury mieszanki betonowej lub
przyrostu tej wielkości.
770
Kledyński Z. i inni: Uwarunkowania projektowe i technologiczne stanu zarysowania…
Rys. 2. Widok zarysowań płaszcza zbiornika w trakcie prac iniekcyjnych
Z
Pd
W
Pn
III
II
I
Rys. 3. Stan zarysowania płaszcza zbiornika – ściana w rozwinięciu, z podziałem na fazy i sekcje betonowania
Realizacyjny podział płaszcza zbiornika na fazy i sekcje betonowania sprowadził się do
wykonania:
– na pierścieniowej ławie fazy I o wysokości 5 m, podzielonej na cztery sekcje o długości
około 17,4 m kaŜda; najpierw wykonano sekcje nieparzyste, a później parzyste,
– wyŜej leŜącej fazy II o wysokości 4,1 m, podzielonej w planie jak faza I (bez przesunięcia),
– fazy III o wysokości 4,1 m i podzielonej jak wyŜej,
– pierścienia górnego ze stoŜkiem górnym zbiornika.
Dni i miesiące betonowania poszczególnych sekcji podano na rys. 4, na którym
pokazano takŜe odstępy czasowe między betonowaniem sąsiadujących ze sobą bloków.
Pielęgnacja wbudowanego betonu polegała na okryciu uformowanego elementu włókniną
i jej intensywnym polewaniu: faza I – ze zraszaczy, fazy wyŜsze z węŜy.
771
Konstrukcje Ŝelbetowe
sekcja Z
sekcja Pd
sekcja W
sekcja Pn
faza III
(6) 5.06 (4)
11
IX
1.06
30.05
X
(5) 6.06 (7)
13
XII
VI
(6) 24.05 (7)
15
VII
faza II
(8) 25.05 (7)
14
VIII
faza I
(15) 11.05 (11)
24
IV
14
18.05
18
(9) 9.05 (13)
13
II
22
III
ława pierścieniowa: 17.04
13
IX
17.05
21
30.04
V
26.04
9
I
Rys. 4. Schematyczne rozwinięcie płaszcza zbiornika z podziałem na sekcje i poziome fazy betonowania wraz z
harmonogramem. Objaśnienia: 1) w centrum obrysu rozwinięcia bloku podano datę betonowania, a w nawiasach
liczbę dni od betonowania sąsiednich bloków (odpowiednio od ich strony); 2) w dolnych wierszach podano
liczbę dni od betonowania bloku połoŜonego niŜej; 3) w prawych dolnych rogach obrysu bloków – cyframi
rzymskimi – ponumerowano bloki w kolejności ich realizacji; 4) na górze pokazano symbole stron świata
identyfikujące pionowe sekcje obwodowe; 5) po lewej pokazano numerację poziomych faz betonowania
Wyniki badań kontrolnych betonu wskazują na osiągnięcie zakładanej klasy (B45) i stopnia
wodoszczelności (W8). Na próbkach pobieranych przy węźle i badanych po 28 dniach
dojrzewania uzyskano wytrzymałość gwarantowaną (wg [3]) w przedziale od 47,1 MPa do
53,4 MPa, a na próbkach branych w miejscu wbudowania i badanych między 55 i 85 dniem
dojrzewania około 47,5 MPa.
3. Analiza stanu i jego przyczyn
3.1. Technologia realizacji a odkształcenia i napręŜenia termiczne i skurczowe
W recepcie zwraca uwagę korzystna zmiana rodzaju cementu na hutniczy i niekorzystna,
wysoka jego zawartość – 395 kg/m3, jakkolwiek zgodna ze Specyfikacją. Zmiana rodzaju
cementu spowodowała, przy utrzymaniu normalnego tempa przyrostu wytrzymałości, obniŜenie ilości wydzielającego się ciepła (waŜne ze względu na masywność płaszcza na wysokości
fazy I i pół-masywność na wysokości fazy II), ale nie zmieniła w istotnym stopniu wielkości
skurczu. PoniewaŜ odkształcenia skurczowe są silnie zaleŜne od ilości cementu (skurcz
autogeniczny), dlatego nawet bardzo staranne działania pielęgnacyjne obniŜające dynamikę
skurczu wilgotnościowego (zaleŜnego m.in. od tzw. zastępczego wymiaru elementu), nie mogły w analizowanym przypadku okazać się dostatecznie skuteczne. Przekonują o tym obliczenia odkształceń skurczowych, wykonane według [4], których wyniki pokazano na rys. 5.
Skurcz autogeniczny stanowi od 70 do 85% skurczu całkowitego.
Masywność fazy I, w połączeniu z ekspozycją niektórych sekcji płaszcza na nasłonecznienie, spowodowała rozgrzew betonowanego elementu. Przy jego grubości 0,9 m rozpraszanie
ciepła hydratacji nie było swobodne i powstał w ścianie gradient temperatury, a wraz z nim
napręŜenia własne (w górnej części płaszcza) i napręŜenia wymuszone (w dolnej części
płaszcza). W fazie rozgrzewu w środku ściany występowały napręŜenia ściskające, a przy
powierzchni – rozciągające. Te ostatnie sumowały się z napręŜeniami rozciągającymi od
skurczu. W fazie stygnięcia występuje tzw. inwersja napręŜeń termicznych, co oznacza, Ŝe we
wnętrzu ściany pojawia się rozciąganie, a na powierzchni ściskanie, które niestety nie jest
772
Kledyński Z. i inni: Uwarunkowania projektowe i technologiczne stanu zarysowania…
w stanie zrównowaŜyć napręŜeń rozciągających od narastającego skurczu. Tym prawdopodobnie spowodowane było zarysowanie sekcji fazy I.
W dolnej części fazy dominujący wpływ na stan napręŜenia miały napręŜenia wymuszone,
wynikające z więzów podparcia. Dlatego większość rys inicjowała się w kontakcie z ławą
i „przędła” ku górze. Ze względu na znaczącą grubość fazy I i mitygujące działanie efektów
termicznych na napręŜenia skurczowe większość rys nie była przelotowa i przecieki, mimo
większych ciśnień wody, były mniejsze niŜ w fazach wyŜej połoŜonych.
skurcz autogeniczny i wilgotnościowy, B45
0
50
100
150
0,00E+00
-1,00E-05
-2,00E-05
-3,00E-05
faza I
-4,00E-05
faza II
-5,00E-05
faza III
sk. autog.
-6,00E-05
-7,00E-05
-8,00E-05
-9,00E-05
czas [dni]
Rys. 5. Rozwój odkształceń skurczowych w czasie w fazach betonowania zbiornika. Klasa betonu B45.
Obliczenia wg [4]
W fazach II i III udział zjawisk termicznych był proporcjonalnie mniejszy, gdyŜ fazy te
mają znacząco mniejsze grubości. Towarzyszyło temu zwiększone oddziaływanie odkształceń
skurczowych, pozostających w związku z zastępczym wymiarem przekrojów poprzecznych
faz betonowania (rys. 5). W tych fragmentach płaszcza rysy były przede wszystkim skurczowe
i – ze względu na mniejszą grubość powłoki – w większości przelotowe (przecieki były
intensywniejsze, mimo niŜszych ciśnień wody niŜ na wysokości fazy I).
Skomplikowany układ rys w płaszczu zbiornika (rys. 3) jest rezultatem opisanych wyŜej
procesów i ich nakładania się, odpowiednio do czasoprzestrzennego schematu wznoszenia
konstrukcji (rys. 4).
Odstęp czasowy wykonania sąsiednich bloków wpływa znacząco na róŜnice odkształceń
między nimi rys. 6, a co za tym idzie na napręŜenia generowane w tych blokach i potencjalny
stan ich zarysowania.
Jeszcze bardziej skomplikowane są oddziaływania bloków masywnych, gdyŜ są one początkowo w okresie rozgrzewu i rozszerzania się, a później w okresie stygnięcia i kurczenia się.
WaŜne jest, w której fazie tego procesu powstaje sąsiedni blok: gdy w okresie rozszerzania się
bloku wykonanego wcześniej, dystorsje są mniejsze, gdy w okresie stygnięcia – będą one
większe. Oddziaływania tego typu występowały prawdopodobnie między blokami w fazie I
oraz – być moŜe – między niektórymi blokami fazy I i II. Oddziaływania te mogą prowadzić
zarówno do powstawania rys w blokach wykonywanych w drugiej kolejności, jak i w blokach
juŜ ułoŜonych, co wpływa na stan zarysowania (rys. 3).
773
Konstrukcje Ŝelbetowe
h 01
∆t 2
ε
h 01
∆t'2
h 02 < h 01
∆t1
h 01
0 t1
t2
t
Rys. 6. Schemat zmian w czasie odkształceń skurczowych bloków betonowych: wykonanego w czasie t = 0
i kolejnych, wykonanych w chwili t1 lub t2. Wysokość obszarów zakreskowanych to róŜnice odkształceń skurczowych między blokami; dąŜą one do wartości ∆t1, ∆t2, ∆t2’ zaleŜnych od zwłoki w wykonaniu kolejnego bloku
i jego wymiaru zastępczego h0, wpływającego na wielkość i intensywność zmian skurczu
3.2. Praca statyczno-wytrzymałościowa zbiornika
W celu potwierdzenia przypuszczeń o przyczynach powstania uszkodzeń w ścianach zbiornika przeprowadzono stosowne obliczenia statyczne [2, 4]. Wpływ odkształceń skurczowych,
nierównomiernego nagrzewania konstrukcji w okresie letnim oraz parcia wody na rozkład sił
wewnętrznych w poszczególnych przekrojach obiektu oszacowano przy zastosowaniu
programu ABC-Obiekt 3D. Oddziaływania powyŜsze analizowano w kolejności ich zaistnienia, z uwzględnieniem schematów statycznych odpowiadających rozwaŜanemu etapowi
realizacji konstrukcji. Rysunek 7 przedstawia wybrane warianty obciąŜenia modelu statycznego. Wartości sił wewnętrznych w poszczególnych przekrojach wyznaczano stosując superpozycję wielkości otrzymanych w wyniku obliczeń.
Rys. 7. Kolejne schematy obciąŜenia modelu: skurcz w trakcie wznoszenia sekcji 1 i sekcji 3, nierównomierne
nagrzewanie zbiornika w okresie letnim
Wyniki analizy wskazują, Ŝe równoleŜnikowe napręŜenia rozciągające, wywołane przez
skurcz są bliskie wytrzymałości młodego betonu na rozciąganie juŜ na etapie wykonania fazy
I konstrukcji zbiornika. Odkształcenia równoleŜnikowe trzeciej sekcji tej fazy po dwóch
dniach od zabetonowania mogą osiągnąć wartość powodującą, przy załoŜeniu liniowej spręŜystości, napręŜenia rzędu 0,70÷0,90 MPa, podczas gdy wytrzymałość betonu na rozciąganie
oszacowano na poziomie ok. 0,70 MPa. Potwierdzać to moŜe stwierdzone przez wykonawcę
zarysowanie się dolnych fragmentów ściany w niedługim czasie od jej wykonania. Obliczenie
wpływu skurczu do dnia poprzedzającego wykonanie próby wodnej pozwala oszacować
napręŜenia rozciągające w poszczególnych sekcjach fazy I na poziomie 3,3÷3,5 MPa, są to
774
Kledyński Z. i inni: Uwarunkowania projektowe i technologiczne stanu zarysowania…
wartości zbliŜone do spodziewanej, docelowej wytrzymałości betonu na rozciąganie. W rezultacie obliczeń odwzorowujących nierównomierne nagrzewanie przez słońce oszacowano,
Ŝe odkształcenie wewnątrz zbiornika (rys. 8) moŜe sięgać 0,20‰, podczas gdy odkształcenie
graniczne przy rozciąganiu wynosi 0,15‰. Wynik ten potwierdza moŜliwość pojawienia się
rys po stronie wewnętrznej zbiornika i wyjaśnia obecność zarysowań wskrośnych (oddziaływania skurczowe powodowały głównie zarysowania po stronie zewnętrznej ściany).
Rys. 8. NapręŜenia równoleŜnikowe w zbiorniku: od skurczu w fazie budowy sekcji 1; działanie skurczu i parcia
wody; nierównomierne nagrzewanie w okresie letnim
Obliczeniowe sprawdzenie szerokości rozwarcia rys w czasie próby wodnej wykazało, Ŝe
moŜe być ona większa od dopuszczalnej wartości 0,10 mm. Przykładowo, szerokość rysy
w sekcji Pn fazy I oszacowano na poziomie 0,29 mm, a w sekcji Pn fazy III równą 0,24 mm.
4. Przyczyny uszkodzeń zbiornika
Bezpośrednią przyczyną zarysowań płaszcza zbiornika były oddziaływania pośrednie:
odkształcenia skurczowe i termiczne betonu. Na wielkość tych odkształceń wpłynęły: masywność płaszcza na wysokości fazy I i jego pół-masywność w fazie II oraz znaczący potencjał
skurczu betonu wynikający przede wszystkim z duŜego dozowania cementu (skurcz autogeniczny). DuŜy potencjał skurczowy betonu, wynikający bezpośrednio z dozowania cementu,
jest związany z wysoką klasą betonu (B45). Odkształcenia te wygenerowały znaczące napręŜenia własne i wymuszone w realizowanych elementach, przy czym wzrostowi tych ostatnich
sprzyjały duŜe długości sekcji w obrębie faz (ponad 17 m); pewne znaczenie mógł mieć
równieŜ harmonogram betonowania, wynikający z przesłanek organizacyjnych.
Rysy skurczowe były dodatkowo inicjowane przez lokalnie znaczące róŜnice odkształceń
i napręŜeń skurczowych, wynikające m.in. ze skokowo zmiennej grubości płaszcza.
W projekcie uwzględniono obciąŜenie skurczem w sposób typowy, jako obciąŜenie ekwiwalentną róŜnicą temperatury, co w analizowanych przypadku okazało się niewystarczające.
Nie uwzględniono nierównomiernego nagrzewania się płaszcza i kopuły zbiornika w wyniku
nasłonecznienia, co jest szczególnie waŜne w okresie próby wodnej, gdy nie ma jeszcze
izolacji termicznej ścian.
5. Zalecenia dotyczące zbiornika wykonanego
Rysy w płaszczu zbiornika zostały uszczelnione przez iniekcję, przy czym wykonano ją
przy naporze wody, a więc przy maksymalnym rozwarciu rys. Część iniektu przeszła na
wskroś ściany i doszczelniła rysy w powłoce antykorozyjnej.
Zbiornik został opróŜniony i po zamontowaniu wyposaŜenia technologicznego ponownie
napełniony. NaleŜy mieć nadzieję, Ŝe ten cykl pracy konstrukcji: odciąŜenie – obciąŜenie nie
775
Konstrukcje Ŝelbetowe
wywołał juŜ dodatkowych zarysowań. Przewidywane warunki pracy zbiornika (praktycznie
stałe napełnienie i stała temperatura ścieków) są korzystne dla zachowania szczelności
zainiektowanego płaszcza.
6. Zalecenia dotyczące projektowania analogicznych zbiorników
Praktyka projektowania i wykonawstwa zbiorników zamkniętych komór fermentacyjnych,
jako obiektów hydrotechnicznych, wskazuje, Ŝe naleŜy stosować beton hydrotechniczny średniej klasy, np. BH25 lub BH30 według [1], a klasa stali powinna być odpowiednia do przyjętej klasy betonu (np. A-III). Grubość ściany powinna wynikać z gradientu hydraulicznego
i załoŜonego stopnia wodoszczelności betonu, np. wg [3], a redukcji obciąŜenia na wysokości
zbiornika powinna odpowiadać redukcja nośności przekroju Ŝelbetowego zrealizowana przez
zmniejszenie mocy zbrojenia, a nie grubości ściany. NaleŜy stosować pręty o moŜliwie
niewielkiej średnicy, aby ograniczyć szerokość rozwarcia ewentualnych rys. Przekroje
powinny być wymiarowane jako niezarysowane, a zbrojenie powinno ograniczyć rozwarcie
ewentualnych rys poniŜej 0,1 mm.
Mieszanka betonowa powinna zawierać moŜliwie mało cementu o niskiej kaloryczności;
cement moŜe być wolnowiąŜący. Kruszywo powinno być otoczakowe i płukane, a stos okruchowy moŜliwie szczelny, o moŜliwie duŜej, maksymalnej średnicy ziarna. Ze względu na
powszechne ocieplanie WKF-ów stopień mrozoodporności betonu nie musi być wysoki
i w większości przypadków napowietrzanie mieszanki nie jest konieczne.
Podział na fazy i sekcje betonowania oraz jego harmonogram musi uwzględniać dynamikę
procesów termicznych i wilgotnościowych w betonie. Długość sekcji po obwodzie nie
powinna przekraczać 9–12 m. Najpierw naleŜy betonować sekcje (odcinki walca) nieparzyste,
później parzyste, przy czym sekcje parzyste naleŜy wykonać moŜliwie późno i w moŜliwie
niskiej temperaturze scalenia. WyŜej leŜące sekcje powinny być betonowane bez zbędnej
zwłoki.
Szwy naleŜy uszczelniać wewnętrznymi taśmami z tworzyw sztucznych, zgrzewanymi
w miejscach skrzyŜowań. Najlepiej w miejscach połączeń stosować kształtki fabrycznie
odlewane (np. typu X lub T), zgrzewane doczołowo do prostych odcinków taśm.
Pielęgnacja betonu powinna być wdroŜona szybko, po końcu wiązania i trwać co najmniej
14 dni (ze względu na wymaganą wodoszczelność betonu).
W miarę moŜliwości naleŜy wykorzystywać sprzyjające warunki atmosferyczne (jesień,
niezbyt ostra zima lub wiosna) i wbudowywać stosunkowo chłodną mieszankę wykorzystując
efekt samonagrzewu betonu w stosunkowo grubych ścianach (metoda zachowania ciepła).
Literatura
1. Bialik G., Kempa Cz., Misiak W., Strzemiecki S.: Warunki techniczne wykonania i odbioru robót w dziedzinie gospodarki wodnej w zakresie konstrukcji hydrotechnicznych z betonu, Ministerstwo Ochrony Środowiska Zasobów Naturalnych i Leśnictwa, Warszawa,1994.
2. CEB-FIB Model Code 1990, Bulletin d’ Information No 213–314, Lausanne, 1993.
3. PN-B/88-06250: Beton zwykły.
4. PN-B-03264: 2002. Konstrukcje betonowe, Ŝelbetowe i spręŜone. Obliczenia statyczne
i projektowanie.
776